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楊維才研究組揭示OsPID調控水稻花器官發育的分子機制

  水稻是世界上一半以上人口的主糧,其産量主要受每穗粒數、每株穗數、千粒重等影響。其中每穗粒數與每穗穎花數密切相關,因此穎花的發生和發育直接影響了水稻的産量。在擬南芥中,PINOID (PID)可以通過調控生長素外流載體PIN家族蛋白的亞細胞定位來調節生長素的分布(Friml et al., 2004; Lee and Cho, 2006)AtPID是控制花原基形成的基因,其通過生長素途徑參與調控雙子葉的花器官發育的機理已有很多報道,而該基因在單子葉植物的生物學功能還不清楚。之前有研究發現,將OsPID在水稻中進行過量表達會引起雄蕊數目減少、雌蕊數目增加的異常表型(Morita and Kyozuka, 2007)。盡管最近的兩篇報道表明, OsPID功能缺失會導致水稻雌蕊和花藥發育異常(He et al., 2019; Xu et al., 2019),但PID調控水稻花器官的分子機制尚不清楚。

 

  中國科學院遗传與发育生物学研究所杨维才研究组鉴定了一个水稻花器官发育异常的突变体,用改良的Mutmap方法定位了OsPID的變異位點,並用CRISPR/Cas9基因編輯技術和遺傳互補試驗進行了驗證。與擬南芥AtPID相比,OsPID除了分布在細胞膜上,還存在于細胞核及細胞質。該研究進一步發現OsPIDOsPIN1aOsPIN1bOsMADS16等具有相互作用。總結本研究及前人研究結果,本文提出了OsPID調控水稻花器官發育的模型。首先,像在擬南芥中一樣,OsPID通過磷酸化PIN1而調控生長素的運輸,改變生長素的極性分布,調控水稻花器官的産生和發育;其次,OsPID还通过與OsMADS16LAX1等转录因子相互作用参與调控水稻花器官发育;另外,OsPIDLAX1/LAX2互作,通過控制水稻的分枝和分蘖而影響産量。OsPID的過量表達可使穗分枝數、穗粒數及單株産量增加,但不影響千粒重和穗數,這說明OsPID在水稻高産育種中具有潛在的應用前景。該研究結果爲水稻花器官發育的分子機制提供了新的認識,爲水稻高産育種的遺傳改良提供了理論基礎。 

 

  該研究成果于2020117日在Plant Biotechnology Journal雜志上在線發表(DOI:10.1111/pbi.13340)。杨维才研究组博士后吴华茂为文章第一作者,杨维才研究员为通讯作者。该项研究得到中國科學院战略性先导专项和国家自然基金委项目的经费资助。 

圖:OsPID調控水稻花器官發育的分子機制模型